JP2006266566A - ２ポンプ方式熱源設備の運転制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】変化する熱負荷に対応して常時、経済的な運転状態となるように２次ポンプの吐出圧を制御することにより、運転状態の安定化を図るとともに、ポンプ動力の削減により省エネルギー化を実現する。
【解決手段】２ポンプ方式熱源設備において、前記熱媒の循環流量Ｑを測定するための流量計１４と、往水温度TSを測定する往水温度計２０と、還水温度TRを測定する還水温度計１５と、前記第１送りヘッダ４と第２送りヘッダ５との間の差圧dPを測定するポンプ揚程圧力計１７を配設し、前記制御装置８は、循環流量Ｑ、ポンプ吐出圧設計値Ｐls、実揚程Ｐs、循環流量設計値Ｑs、係数ｎにより基準ポンプ吐出圧曲線を算出するとともに、この基準ポンプ吐出圧曲線に従って２次ポンプ６Ａ〜６Ｃを制御する。
【選択図】図３

Description

本発明は、地域冷暖房施設等の熱源供給システムや、工場やビルなどの熱源供給システムとして用いられる２ポンプ方式熱源設備の運転制御方法に関する。

従来より地域冷暖房施設等の熱源供給システムや、工場やビルなどの熱源供給システムとして用いられている熱源設備として、２ポンプ方式熱源設備が知られている。

前記２ポンプ方式熱源設備は、例えば図４に示されるように、戻りヘッダー５０からの熱媒が一次送水ポンプ５２Ａ〜５２Ｃにより送られ、冷凍機、ボイラ等からなる熱交換器等の熱源機器５１Ａ〜５１Ｃを通過し加熱又は冷却された後、第１送りヘッダー５４に至り、その後二次送水ポンプ５５，５５…により第２送りヘッダー５７に送られる。そして、この第２送りヘッダー５７を介して各部位（部屋）に配置された熱交換器（空調機）５８，５８…に送給された後、戻りヘッダー５０に循環するようになっている。前記第１送りヘッダー５４と第２送りヘッダー５７との間に配置された二次送水ポンプ５５，５５…は各々インバーター５６を備え、前記第１送りヘッダー５４と第２送りヘッダー５７との間に第一バイパス６４及び第一バイパス弁６５が配置されているとともに、前記第１送りヘッダー５４と戻りヘッダー５０とを繋ぐ第２バイパス６２が配置されている（下記特許文献１、２等参照）。

制御装置６０による前記二次送水ポンプ５５の吐出圧制御は、第２の送りヘッダー５７と戻りヘッダー５０との差圧ＤＳを検出し、予め設定された必要差圧となるように、二次送水ポンプ５５，５５…のインバーター５６，５６…に対し回転数制御をかけることにより、一定の送水圧力条件の下で変流量制御を行う。

また、前記熱源機器５１Ａ〜５１Ｃの増減段制御は、例えば熱源入口温度TI、往水温度TS、流量Ｆ、負荷熱量Ｌ（（TI−TS）×F）、に基づいた台数制御が行われている。

しかし、小負荷時に冷水往き還り温度差（TI−TS）が低下すると、熱量に変化が無くとも循環流量Ｑが増大することになる。循環流量Ｑが熱源機器通水流量Ｑrより増大すると、還り冷水の一部がバイパス６２を通って往き冷水配管側に合流するため冷水往き温度TSが上昇し、熱源機器増段温度設定値を超え、熱源機器は絞り運転を行っているにも関わらず、運転台数の不要な増加が行われるなどの不要な熱源機器の運転が誘発される問題があった。

小負荷時に発生する水の往き還り温度差が低下する現象の原因としては、循環水量Ｑを一定値以上に保つことを目的とした末端バイパスの存在、空調負荷制御弁（ＭＶ）の締め切り能力不足による漏れ、設備簡素化のために制御弁を廃止した系統の存在などにより往き冷水が熱交換せずに還り冷水配管に入り込むことが挙げられる。これらを防止する方法として、小負荷時には吐出圧を下げることが有効である。同時に、ポンプ吐出圧を下げることはポンプ動力の削減にもつながる。

そこで、下記特許文献３では空調機により処理される空調負荷に見合う循環水量Ｑによってポンプ吐出圧設定値Ｐを下式(4)に従い増減させる運転制御方法が開示されている。

特開２００２−２１３８０２号公報 特開２００４−１０１１０４号公報 特開２００３−１０６７３１号公報

しかしながら、上記特許文献３に示されるポンプ制御方法の場合、空調設備の運転状態は建物用途や季節など様々な要因により変化するため、上記(4)式中の定数K0、K1、K2、nは常に変化し、各定数を一定値として同定することは困難である。その結果、運転状態によっては、吐出圧が不足し冷水供給が不十分となる場合があるとともに、小負荷時（特に負荷流量40％以下）においては、ポンプ吐出圧を下げられず必要以上の動力を消費している場合があったり、さらに吐出圧が低い状態で運転が安定してしまうことが考えられるため、変化する熱負荷状態に柔軟に対応できないなどの問題があった。さらに、定数の設定に膨大な運転データを使用する必要があるなどの問題もあった。

そこで本発明の主たる課題は、変化する熱負荷に対応して常時、経済的な運転状態となるように２次ポンプの吐出圧を制御することにより、運転状態の安定化を図るとともに、ポンプ動力の削減により省エネルギー化を実現し得る２ポンプ方式熱源設備の運転制御方法を提供することにある。

前記課題を解決するために請求項１に係る本発明として、熱媒を冷却又は加熱する複数の熱源機器と各熱源機器に対応して設けられるとともに、冷却又は加熱された熱媒を圧送する１次ポンプと、前記熱源機器からの熱媒を集約する第１送りヘッダと、第１送りヘッダから熱媒を送る複数の２次ポンプと、２次ポンプからの熱媒を集約する第２送りヘッダと、この第２送りヘッダから熱媒が供給される外部負荷機器と、この外部負荷機器を迂回する末端バイパスと、前記外部負荷機器で熱交換された熱媒が戻されるとともに、各熱源機器に分配する戻りヘッダと、第１送りヘッダと第２送りヘッダとを繋ぐ第１バイパス及び第１バイパス弁と、前記第１送りヘッダ部又はその近傍と前記戻りヘッダ部又はその近傍とを繋ぐ第２バイパスと、前記熱源機器の運転台数制御及び前記２次ポンプの運転制御を行う制御装置とを備える２ポンプ方式熱源設備において、
前記熱媒の循環流量Ｑを測定するための流量計と、往水温度TSを測定する往水温度計と、還水温度TRを測定する還水温度計と、前記第１送りヘッダと第２送りヘッダとの間の差圧dPを測定するポンプ揚程圧力計を配設し、
前記制御装置は、循環流量Ｑ、ポンプ吐出圧設計値Ｐls、実揚程Ｐs、循環流量設計値Ｑs、係数ｎにより下式(1)に基づき基準ポンプ吐出圧曲線を算出するとともに、この基準ポンプ吐出圧曲線に従って前記２次ポンプを制御することを特徴とする２ポンプ方式熱源設備の運転制御方法が提供される。

上記請求項１記載の本発明では、任意に設定するｎ以外は、すべての計測により若しくは設計時に既知とされる値で制御されるため、変化する熱負荷に対応して常時、経済的な運転状態となるように２次ポンプの吐出圧を制御することが可能となる。

また、前記基準ポンプ吐出圧曲線は、概ね熱負荷が約４０％以下の状態で、ポンプ吐出圧が二次曲線的に低減される曲線となるため、小負荷時に還り冷水の一部がバイパス６２を通って往き冷水配管側に合流し冷水往き温度TSが上昇し、熱源機器は絞り運転を行っているにも関わらず、運転台数の不要な増段が行われるのを防止できるようになるとともに、ポンプ動力を削減できるようになる。

請求項２に係る本発明として、前記往水温度TSと還水温度TRとの送水温度差（TR-TS）が予め設定された最小設定温度差dTIを下回った場合には、下式(2)に基づき前記基準ポンプ吐出圧曲線による吐出圧Ｐに対して補正を行うことを特徴とする請求項１記載の２ポンプ方式熱源設備の運転制御方法が提供される。

上記請求項２記載の本発明は、特に小負荷時において、往水温度TSと還水温度TRとの送水温度差（TR-TS）が予め設定された最小設定温度差dTIを下回った場合には、前記基準ポンプ吐出圧曲線のポンプ吐出圧Ｐ値を補正することにより、最小設定温度差dTIを常時確保することができる。前記「末端バイパス等」とは、末端バイパスの他、空調負荷制御弁（MV）の締め切り能力不足による漏れ、設備簡素化のために制御弁を廃した系統など、往き冷水が熱交換せずに還り冷水配管に入り込む配管経路のことを指す。

小負荷時において、ポンプ吐出圧が大幅に低減されることにより、最小限の循環水量を確保しながら、往き冷水の一部が還り冷水配管側に入り込むのを防止し、前記最小設定温度差dTIを確保するとともに、さらにポンプ動力の削減が図れるようになる。

請求項３に係る本発明として、下式(3)に示すポンプ吐出圧下限値曲線を設定し、前記２次ポンプの吐出圧は前記ポンプ吐出圧下限値曲線を最低吐出圧として制御する請求項１，２いずれかに記載の２ポンプ方式熱源設備の運転制御方法が提供される。

以上詳説のとおり本発明によれば、変化する熱負荷に対応して常時、経済的な運転状態となるように２次ポンプの吐出圧を制御することが可能となるため、運転状態の安定化を図り得るとともに、ポンプ動力の削減により省エネルギー化を実現し得るようになる。

さらに、効果を列挙すれば下記のとおりである。
(1)上記特許文献３の制御方法とは異なり、定数の設定に膨大な運転データを使用しなくとも運転制御可能である。
(2)配管抵抗曲線が負荷状態により変化しても送水温度差補正により追従した運転がある程度可能である。
(3)運転開始時の吐出圧は要求圧よりも高い吐出圧（基準ポンプ吐出圧曲線）から始まるので吐出圧不足による循環水量の不足を防止することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。
〔２ポンプ方式熱源設備の構成〕
図１に示された２ポンプ方式熱源設備１は、熱媒を冷却又は加熱する複数の熱源機器２Ａ〜２Ｃと、各熱源機器２Ａ〜２Ｃに対応して設けられるとともに、熱媒を圧送する１次ポンプ３Ａ〜３Ｃと、前記熱源機器２Ａ〜２Ｃからの熱媒を集約する第１送りヘッダ４と、第１送りヘッダ４から熱媒を供給する２次ポンプ６Ａ〜６Ｃと、これら２次ポンプ６Ａ〜６Ｃをそれぞれ回転数制御するインバータ７Ａ〜７Ｃと、２次ポンプ６Ａ〜６Ｃから熱媒が供給される第２送りヘッダ５と、第２送りヘッダ５から熱媒が供給される空調機等の外部負荷機器９，９…と、この外部負荷機器９，９…を迂回する末端バイパス１８と、前記外部負荷機器９，９…で熱交換された熱媒が戻されるとともに、各熱源機器２Ａ〜２Ｃに分配する戻りヘッダ１０と、前記第１送りヘッダ４と第２送りヘッダ５とを繋ぐ第１バイパス１１及び第１バイパス弁１２と、前記第１送りヘッダ部４又はその近傍と前記戻りヘッダ部１０又はその近傍とを繋ぐ第２バイパス１３と、前記熱源機器２Ａ〜２Ｃの運転台数制御及び前記二次ポンプ６Ａ〜６Ｃ（インバータ７Ａ〜７Ｃ）の運転制御を行う制御装置８とを備えるものである。

また、計測機器類として、前記熱媒の循環流量を計測するための流量計１４と、還水温度ＴＲを測定するための還水温度計１５と、往水温度ＴＳを測定する往水温度計２０と、熱源機器の入口温度ＴＩを測定するための温度計１６と、熱源機器の出口温度ＴＯを測定するための温度計１８と、前記第１送りヘッダ４と第２送りヘッダ５との間の差圧ｄＰを測定するためのポンプ揚程圧力計１７とを配備している。
〔制御装置８による運転制御〕
本２ポンプ方式熱源設備１においては、前記２次ポンプ６Ａ〜６Ｃの吐出圧の制御は、図２に示される２次ポンプ吐出圧の算出ロジックフローに従い制御される。先ず、２次ポンプ６Ａ〜６Ｃの運転制御条件となる基準ポンプ吐出圧曲線を次式(1)により設定する。

上記(1)式において、係数ｎ以外の数値は、計測値又は設計時に既知な値である。図３に、ｎ＝２，３，５とした場合の基準ポンプ吐出圧曲線を示すとともに、比較例としてｎ＝１とした場合の一次曲線の場合と、後述の配管抵抗曲線と、ポンプ吐出圧下限値曲線を示す。図３を見れば明らかなように、係数ｎを所定の適値に設定することにより、小負荷時（特に４０％以下）の時に、熱負荷状態に対応してポンプ吐出圧を２次曲線的に低減し得ることが分かる。なお、ｎ＝１とした場合には、ポンプ吐出圧は一次曲線となって小負荷時にポンプ吐出圧を低減することができない。

本発明の制御方法に従えば、ｎ＞１とした場合には、吐出圧曲線は小負荷時に吐出圧を２次曲線的に下げることが可能となりポンプ動力の削減が図れるようになる。また、配管抵抗曲線に対応してｎ＝３やｎ＝５とした曲線を任意に設定することができるので、配管抵抗曲線に応じて適性な吐出圧制御曲線を得ることができる。

前記基準ポンプ吐出圧曲線に従って２次ポンプ６Ａ〜６Ｃが運転制御されるが、予め前記往水温度TSと還水温度TRとの送水温度差（TR-TS）の最小値（最小設定温度差dTI）を設定しておき、前記送水温度差（TR−TS）が最小設定温度差dTIを下回った場合には、送水温度差（TR−TS）が最小設定温度差dTIとなるように、基準ポンプ吐出圧曲線の値Ｐを以下の計算式で補正する。

熱量バランスから下式(5)が得られる。

上式(5)をＱbについて解くと、下式(6)となる。

いま、最低限維持したい送水温度差dＴI（例えば、設計送水温度差が５℃の時、dＴI＝３℃のように設定）とすると、そのとき末端バイパス等のＱblは下式(7)より求まる。

また、末端バイパス等のＱb、Ｑblのときの末端バイパス等の差圧Ｐｂ、Ｐblは末端バイパス等の抵抗係数をＣＶbとすると、それぞれ下式(8)(9)となる。

ここで、末端バイパス等の抵抗係数ＣＶbは、全系統の空調負荷自動弁が開度０％の循環流量Ｑ_０と、ポンプ吐出圧Ｐ_０とを用い下式(10)より求めることができる。

以上より、圧力をＰb−Ｐbl下げれば、末端バイパス等の流量はＱblとなる。よって、補正後の圧力Ｐ’は下式(11)（＝(2)式）より求めることができる。

一方で、前記ポンプ吐出圧には、最低限の冷水流量を確保するために、下限値を設定することが望ましい。

ポンプ吐出圧の下限値は、下式(12)で表すことができ、そのグラフは図３に示される曲線となる。

なお、配管抵抗曲線に従い制御される対象は、２次ポンプ６Ａ〜６Ｃの吸い込み側と吐出側との差圧、つまりポンプ揚程ｄPであるのが望ましい。

以上より、本発明においては、先ず前記基準ポンプ吐出圧曲線に従って２次ポンプ６Ａ〜６Ｃが運転制御され、小負荷時において、前記送水温度差（TR−TS）が事前に設定してある最小設定温度差dTIを下回る現象が生じたならば、送水温度差（TR−TS）が最小設定温度差dTIとなるように、基準ポンプ吐出圧曲線の値Ｐを補正する。また、最低限の流量を確保するために、ポンプ吐出圧が下がった場合でも、前記ポンプ吐出圧下限値曲線を最低吐出圧として２次ポンプ６Ａ〜６Ｃを制御するようにする。

本発明に係る２ポンプ方式熱源設備１を示すブロック図である。 ２次ポンプ吐出圧の算出ロジックを示すフロー図である。 基準ポンプ吐出圧曲線、配管抵抗曲線及びポンプ吐出圧下限値曲線を示すグラフである。 従来型の２ポンプ方式熱源設備を示すブロック図である。

符号の説明

１…２ポンプ方式熱源設備、２Ａ〜２Ｃ…熱源機器、３Ａ〜３Ｃ…１次ポンプ、４…第１送りヘッダ、５…第２送りヘッダ、６Ａ〜６Ｃ…２次ポンプ、７Ａ〜７Ｃ…インバータ、８…制御装置、９…外部負荷機器、１０…戻りヘッダ、１１…第１バイパス、１２…第１バイパス弁、１３…第２バイパス、１４…流量計、１５・１６・１８・２０…温度計、１７…差圧計

Claims (3)

1. 熱媒を冷却又は加熱する複数の熱源機器と各熱源機器に対応して設けられるとともに、冷却又は加熱された熱媒を圧送する１次ポンプと、前記熱源機器からの熱媒を集約する第１送りヘッダと、第１送りヘッダから熱媒を送る複数の２次ポンプと、２次ポンプからの熱媒を集約する第２送りヘッダと、この第２送りヘッダから熱媒が供給される外部負荷機器と、この外部負荷機器を迂回する末端バイパスと、前記外部負荷機器で熱交換された熱媒が戻されるとともに、各熱源機器に分配する戻りヘッダと、第１送りヘッダと第２送りヘッダとを繋ぐ第１バイパス及び第１バイパス弁と、前記第１送りヘッダ部又はその近傍と前記戻りヘッダ部又はその近傍とを繋ぐ第２バイパスと、前記熱源機器の運転台数制御及び前記２次ポンプの運転制御を行う制御装置とを備える２ポンプ方式熱源設備において、
   前記熱媒の循環流量Ｑを測定するための流量計と、往水温度TSを測定する往水温度計と、還水温度TRを測定する還水温度計と、前記第１送りヘッダと第２送りヘッダとの間の差圧dPを測定するポンプ揚程圧力計を配設し、
   前記制御装置は、循環流量Ｑ、ポンプ吐出圧設計値Ｐls、実揚程Ｐs、循環流量設計値Ｑs、係数ｎにより下式(1)に基づき基準ポンプ吐出圧曲線を算出するとともに、この基準ポンプ吐出圧曲線に従って前記２次ポンプを制御することを特徴とする２ポンプ方式熱源設備の運転制御方法。
   

   
2. 前記往水温度TSと還水温度TRとの送水温度差（TR-TS）が予め設定された最小設定温度差dTIを下回った場合には、下式(2)に基づき前記基準ポンプ吐出圧曲線による吐出圧Ｐに対して補正を行うことを特徴とする請求項１記載の２ポンプ方式熱源設備の運転制御方法。
   

   
3. 下式(3)に示すポンプ吐出圧下限値曲線を設定し、前記２次ポンプの吐出圧は前記ポンプ吐出圧下限値曲線を最低吐出圧として制御する請求項１，２いずれかに記載の２ポンプ方式熱源設備の運転制御方法。
   

   

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